CN111533993A - 一种低气味低voc长玻纤增强聚丙烯复合材料及制备方法 - Google Patents

一种低气味低voc长玻纤增强聚丙烯复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，包括以下重量份原料：50‑70份PP树脂，30‑50份表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维，0‑1份润滑剂，0‑4份相容剂,0‑2份抗氧剂，0‑2份黑色母粒；利用低气味低VOC扁平玻璃纤维代替普通圆柱形玻璃纤维，不仅降低长玻纤维增强聚丙烯复合材料的气味和VOC含量，还能提高长玻纤增强聚丙烯复合材料的流动性、力学性能与制件外观，并降低长玻纤增强聚丙烯复合材料制品的翘曲变形。同时利用低气味高活性马来酸酐接枝PP作为相容剂，充分利用其极高的增容效率和高反应活性基团，在保证性能的前提下，进一步降低了扁平长玻纤增强PP复合材料的气味和VOC含量。

Description

一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料改性技术领域，特别是一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料及制备方法。
背景技术
短玻纤增强聚丙烯复合材料和长玻纤增强聚丙烯复合材料是根据复合材料中玻纤长度不同而定义的。通常在短玻纤增强复合材料中，短纤的定义是玻璃纤维的平均长度小于1mm，短玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法简单，且生产成本较低，材料性能提高明显，因此短玻纤增强聚丙烯复合材料在市场上应用较广，所占份额较大。但随着对材料性能要求的不断提高，短玻纤增强聚丙烯复合材料的效果在很多情况下已经达不到需求，相比短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料由于具有更长的纤维保留长度，使其具备更优良的力学性能、热稳定性和尺寸稳定性能，广泛应用于汽车、家电等领域，随着人们生活水平的提高尤其是汽车工业的快速发展，世界上各大汽车制造商均在用户的反馈下对汽车材料的低气味低VOC性能提出更高的要求。且现有的长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料流动性不好，在注塑过程中加工性能较差，制件表面质量不好。同时圆柱型玻璃纤维由于在粒料注塑过程中高度取向，使制成的长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在各个方向上收缩率相差较大，最终导致长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制件极易翘曲变形。
发明内容
本发明提供一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，不仅能克服目前存在的长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料气味和VOC排放量不达标的缺陷，还能显著提升长玻璃纤维增强聚丙烯的注塑流道长度，改善长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的表面质量，复合材料制件不易翘曲变形，满足汽车材料的发展新要求。
本发明技术方案如下：
一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，包括以下重量份原料：50-70份PP树脂，30-50份扁平玻璃纤维，0-1份润滑剂，0-4份相容剂,0-2份抗氧剂，0-2份黑色母粒；其中，所述扁平玻璃纤维的截面为扁平状，且所述扁平长玻璃纤维为表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维。
作为优选，所述低气味低VOC浸润剂主要为聚丙烯(PP)熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液浸润剂,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯的接枝率为1.5％-1.7％，聚丙烯(PP)熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液的固含量为40％，聚丙烯(PP)熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液中固态物质的粒径为150-200nm，甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液为游离甲基丙烯酸缩水甘油酯为0.05％的低气味低VOC乳液。
作为优选，所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐基团和高反应活性基团形成的低气味高活性相容剂，所述马来酸酐基团和高反应活性基团的接枝率为1.3％-1.6％，所述相容剂在230℃/2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为150g/10min。
作为优选，所述PP树脂为高熔融指数的聚丙烯树脂，所述PP树脂在测试条件为2.16Kg/230℃时的熔融指数为(50-100)g/10min。
作为优选，所述低气味低VOC扁平玻璃纤维的截面宽厚比为(3-8)：1。
作为优选，所述PP树脂为PP-3100H型树脂。
作为优选，所述润滑剂为硬脂酸钙润滑剂、改性聚烯烃蜡润滑剂、硅酮润滑剂中的一种或任两种的混合物或三种的混合物，和/或所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂或亚磷酸酯类抗氧剂或两者的混合物，和/或所述黑色母粒为PP载体碳黑母粒或PE载体碳黑母粒。
一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，按照上述的重量份准备原料，具体步骤为：
步骤1，将扁平玻璃纤维表面涂覆低气味低VOC浸润剂得到低气味低VOC扁平玻璃纤维束，或直接取表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维束；
步骤2，将PP树脂、润滑剂、相容剂、抗氧剂和黑色母粒在高速混合机均匀混合得到预混料；
步骤3，将步骤2得到的预混料加入到长径比为(30-60):1双螺杆挤出机的主喂料口，同时将步骤1所述的低气味低VOC扁平玻璃纤维束穿过浸渍模具，所述预混料经所述双螺杆挤出机熔融挤出后进入所述浸渍模具，并充分浸润所述低气味低VOC扁平玻璃纤维，然后在冷却水槽内冷却成型，冷却成型后切粒得到低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其中，所述双螺杆挤出机各段加工温度控制在250-280℃，真空度为-0.1MPa。所述浸渍模具温度为280℃。
作为优选，双螺杆挤出机的长径比为48:1。步骤3中所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束包含4800根(或2400或1200或3600或6000根)低气味低VOC扁平玻璃纤维丝。
作为优选，步骤3中，所述预混料以60公斤/小时的速率输送到所述双螺杆挤出机中熔融分散，同时将所述低气味低VOC扁平玻璃纤维通过浸渍模具时的牵引速度为15m/min。
本发明相对于现有技术优势在于：
本发明所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，利用低气味低VOC扁平玻璃纤维代替了普通的圆柱形玻璃纤维，不仅降低长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的气味和VOC含量，还能提高长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的流动性、力学性能与制件外观，并能降低长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制品的翘曲变形程度。同时利用低气味高活性马来酸酐接枝PP(PP-g-MAH)作为相容剂，充分利用其极高的增容效率和高反应活性基团，在保证性能的前提下，进一步降低了PP复合材料的气味和VOC。满足了汽车材料低气味低VOC、高尺寸稳定性、高力学性能、高表面质量、高热稳定性的发展要求。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。
实施例1
低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料1，包括以下原料：
66.5公斤PP(聚丙烯)树脂，型号为PP-3100H；
16卷低气味低VOC扁平玻璃纤维束，型号为ER4305PM-2400-M4，其截面为扁平状，横截面宽厚比为4:1，且表面涂覆有低气味低VOC浸润剂；所述低气味低VOC浸润剂包括聚丙烯(PP)熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯的接枝率为1.5％-1.7％，聚丙烯(PP)熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液的固含量为40％，粒径为150-200nm，甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液为游离甲基丙烯酸缩水甘油酯为0.05％的低气味低VOC乳液。
所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束在成型时包含4800根低气味低VOC扁平玻璃纤维丝。
0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂；
2.8公斤普通相容剂，为马来酸酐基团接枝PP形成(PP-g-MAH)；
0.14公斤酚类抗氧剂，型号为Irganox 1010，和0.14公斤亚磷酸酯类抗氧剂，型号为Irganox168；
0.28公斤黑色母粒，型号为CABOT-UN2014。
低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料1的制备方法，按照上述重量准备原料，
步骤1：取型号为ER4305PM-2400-M4的低气味低VOC扁平玻璃纤维，并确认其是否为表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维，若是，则进行下一步，若不是，则将该扁平玻璃纤维涂覆低气味低VOC浸润剂得到低气味低VOC扁平玻璃纤维；
步骤2：将66.5公斤型号为PP-3100H的PP(聚丙烯)树脂、2.8公斤普通相容剂、0.14公斤型号为Irganox 1010的酚类抗氧剂和0.14公斤型号为Irganox 168的亚磷酸酯类抗氧剂、0.28公斤型号为CABOT-UN2014的黑色母粒和0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂在高速混合机中充分混合均匀，得到预混料1；
步骤3：将步骤2得到的预混料1以60公斤/小时的速率从长径比为48:1双螺杆挤出机的主喂料口进入，并将所述双螺杆挤出机的各段加工温度控制在250-280℃，真空度为-0.1MPa；同时将步骤1所述的16卷低气味低VOC扁平玻璃纤维束通过熔融浸渍模具穿好，并将所述浸渍模具温度设为280℃；所述预混料1经所述双螺杆挤出机熔融挤出后进入浸渍模具，在浸渍模具内将所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束充分浸润至单丝浸润的程度后，将其在冷却水槽内冷却成型，冷却成型后切粒成10mm长粒料，得到低气味低VOC扁平玻璃纤维含量为30％的低气味低VOC扁平长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料1。
经测试，低气味低VOC扁平玻璃纤维含量为30％的低气味低VOC扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料1的性能如下：将制成的扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料1，在注塑机熔融注塑形成制件产品时，在注塑机条件为220℃，70MPa注射压力的测试条件下，粒料螺旋流道长度为725mm(幅宽20mm,厚2mm)，流动方向收缩率为0.25％，垂直流动方向收缩率为0.36％，气味等级为3.5级。即该低气味低VOC扁平长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料1具有低气味低VOC、高流动性、高力学性能、高尺寸稳定性。满足汽车材料的新发展要求。
实施例2
低气味低VOC扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料2，包括以下原料：
67.2公斤PP(聚丙烯)树脂，型号为PP-3100H；
16卷低气味低VOC扁平玻璃纤维束，型号为ER4305PM-2400-M4，其截面为扁平状，横截面宽厚比为4:1，且表面涂覆有低气味低VOC浸润剂；所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束包含4800根低气味低VOC扁平玻璃纤维丝。
0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂；
2.1公斤低气味高活性低聚物相容剂，高活性低聚物相容剂为马来酸酐基团和高反应活性基团接枝PP(PP-g-MAH)形成，且马来酸酐基团的接枝率和高反应活性基团的接枝率为1.3％-1.6％，熔融指数为150g/10min(230℃，2.16kg)；
0.14公斤酚类抗氧剂，型号为Irganox 1010，和0.14公斤亚磷酸酯类抗氧剂，型号为Irganox168；
0.28公斤黑色母粒，型号为CABOT-UN2014。
低气味低VOC扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料2的制备方法，按照上述重量准备原料，
步骤1：取型号为ER4305PM-2400-M4的低气味低VOC扁平玻璃纤维，并确认其是否为表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维，若是，则进行下一步，若不是，则将该扁平玻璃纤维涂覆低气味低VOC浸润剂得到低气味低VOC扁平玻璃纤维；
步骤2：将67.2公斤型号为PP-3100H的PP(聚丙烯)树脂、2.1公斤低气味高活性低聚物相容剂、0.14公斤型号为Irganox 1010的酚类抗氧剂和0.14公斤型号为Irganox 168的亚磷酸酯类抗氧剂、0.28公斤型号为CABOT-UN2014的黑色母粒和0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂在高速混合机中充分混合均匀，得到预混料2；
步骤3：将步骤2得到的预混料1以60公斤/小时的速率从长径比为48:1双螺杆挤出机的主喂料口进入，并将所述双螺杆挤出机的各段加工温度控制在250-280℃，真空度为-0.1MPa；同时将步骤1所述的16卷低气味低VOC扁平玻璃纤维束(包含**根玻璃纤维丝)通过熔融浸渍模具穿好，并将所述熔融浸渍模具温度设为280℃；所述预混料2经该双螺杆挤出机熔融挤出后进入熔融浸渍模具，在熔融浸渍模具内充分浸润所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束后，将其在冷却水槽内冷却成型，冷却成型后切粒成10mm长粒料，得到低气味低VOC扁平玻璃纤维含量为30％低气味低VOC扁平长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料2。
所述重分浸渍是指将所述低气味低VOC扁平玻璃纤维束在浸渍模具浸润至单丝浸润的程度，即将预混料2浸渍每一根低气味低VOC扁平玻璃纤维。
经测试，低气味低VOC扁平玻璃纤维含量为30％的低气味低VOC扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料2的性能如下：将制成的扁平长玻纤增强聚丙烯复合材料1，在注塑机熔融注塑形成制件产品时，在注塑机条件为220℃，70MPa注射压力的测试条件下，粒料螺旋流道长度为740mm(幅宽20mm,厚2mm)，流动方向收缩率为0.24％，垂直流动方向收缩率为0.34％，气味等级为3级。即该低气味低VOC扁平长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料2具有低气味低VOC、高流动性、高力学性能、高尺寸稳定性。满足汽车材料的新发展要求。
对比例
按照以下成分取原料：
66.5公斤PP(聚丙烯)树脂，型号为PP-3100H；
16卷普通圆柱形玻璃纤维束，型号为ER4305PM-2400；所述玻璃纤维束在成型时包含4800根低气味低VOC扁平玻璃纤维丝。
0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂；
2.8公斤普通相容剂，为马来酸酐基团接枝PP形成(PP-g-MAH)；
0.14公斤酚类抗氧剂，型号为Irganox 1010，和0.14公斤亚磷酸酯类抗氧剂，型号为Irganox168；
0.28公斤黑色母粒，型号为CABOT-UN2014。
按照与实施例1的步骤2与步骤3相同的方式制备对比例的普通长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料：即将66.5公斤型号为PP-3100H的PP(聚丙烯)树脂、2.8公斤普通相容剂、0.14公斤型号为Irganox 1010的酚类抗氧剂和0.14公斤型号为Irganox 168的亚磷酸酯类抗氧剂、0.28公斤型号为CABOT-UN2014的黑色母粒和0.14公斤聚丙烯蜡润滑剂在高速混合机中充分混合均匀，得到对比例预混料；
同时将步骤1所述的16卷普通圆柱形玻璃纤维通过熔融浸渍模具穿好，所述预混料经该双螺杆挤出机熔融挤出后进入浸渍模具，在浸渍模具内充分浸润普通圆柱形玻璃纤维，然后在冷却水槽内冷却成型，并切粒成10mm长粒料，得到普通圆柱形玻璃纤维含量为30％的对比例普通长玻纤增强聚丙烯复合材料。其中，所述双螺杆挤出机各段加工温度控制在250-280℃，真空度为-0.1MPa。所述浸渍模具温度为280℃。
经测试，普通圆柱形玻璃纤维含量为30％的对比例普通长玻纤增强聚丙烯复合材料的性能如下：注塑机条件为220℃，70MPa注射压力的测试条件下，粒料螺旋流道长度为690mm(幅宽20mm，厚2mm)，流动方向收缩率为0.28％，垂直流动方向收缩率为0.45％，气味等级为4级。
实施例1，实施例2和对比例的测试结果对照表如下所示：
Figure BDA0002483305150000071
分析可知，采用低气味低VOC扁平玻璃纤维代替普通的圆柱形玻璃纤维，不仅降低长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的气味和VOC含量，还能提高长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的流动性、力学性能与制件外观，并降低长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制品的翘曲变形。同时利用低气味高活性马来酸酐基团和高反应活性基团接枝PP(聚丙烯)作为相容剂，充分利用其极高的增容效率和高反应活性基团，在保证性能的前提下，进一步降低低气味低VOC扁平长玻璃纤维增强PP复合材料的气味和挥发性有机化合物(VOC，volatileorganic compounds)的排放量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份原料：50-70份PP树脂，30-50份扁平玻璃纤维，0-1份润滑剂，0-4份相容剂,0-2份抗氧剂，0-2份黑色母粒；其中，所述扁平玻璃纤维的截面为扁平状，且所述扁平玻璃纤维为表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐基团和高反应活性基团形成的低气味高活性相容剂，所述马来酸酐基团的接枝率和高反应活性基团的接枝率为1.3％-1.6％，所述相容剂在测试条件为2.16Kg/230℃时的熔融指数为150g/10min。
3.根据权利要求1或2所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述PP树脂高熔融指数的聚丙烯树脂，所述PP树脂在测试条件为2.16Kg/230℃时的熔融指数为(50-100)g/10min。
4.根据权利要求3所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述低气味低VOC扁平玻璃纤维的截面宽厚比为(2-10)：1。
5.根据权利要求4所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述低气味低VOC扁平玻璃纤维的截面宽厚比为(3-8)：1。
6.根据权利要求1所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述低气味低VOC浸润剂包括聚丙烯熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液,所述聚丙烯熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液为含有0.05％游离甲基丙烯酸缩水甘油酯的低气味低VOC乳液；其中甲基丙烯酸缩水甘油酯的接枝率为1.5％-1.7％，聚丙烯熔融接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯乳液的固含量为40％，粒径为150-200nm。
7.根据权利要求1所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述PP树脂为PP-3100H型树脂，和/或所述润滑剂为硬脂酸钙润滑剂、改性聚烯烃蜡润滑剂、硅酮润滑剂中的一种或任两种的混合物或三种的混合物，和/或所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂或亚磷酸酯类抗氧剂或两者的混合物，和/或所述黑色母粒为PP载体碳黑母粒或PE载体碳黑母粒。
8.一种低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，按照权利要求1-7之一所述的重量份准备原料，
步骤1，将所述扁平玻璃纤维表面涂覆低气味低VOC浸润剂得到低气味低VOC扁平玻璃纤维，或直接取表面涂覆有低气味低VOC浸润剂的低气味低VOC扁平玻璃纤维；
步骤2，将PP树脂、润滑剂、相容剂、抗氧剂和黑色母粒在高速混合机均匀混合得到预混料；
步骤3，将步骤1所述的低气味低VOC扁平玻璃纤维通过熔融浸渍模具穿好，将步骤2所述预混料经双螺杆挤出机熔融挤出后进入所述浸渍模具，在所述浸渍模具内充分浸润所述低气味低VOC扁平玻璃纤维后将其在冷却水槽内冷却成型，冷却成型后切粒成10mm长粒料，得到低气味低VOC扁平玻璃纤维含量为30％的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料。
9.根据权利要求8所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的长径比为48:1。
10.根据权利要求8所述的低气味低VOC长玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述双螺杆挤出机各段加工温度控制在250-280℃，真空度为-0.1MPa，所述浸渍模具温度为280℃。
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